DE2747405B1 - Ultraschall-Bildgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Büdge-

rät für Ultraschall-Echoaufzeichnung nach dem Impuls-Echo-Prinzip, mit Ultraschall-Sender/Empfänger, der Echosignale mit bestimmtem Dynamikbereich liefert sowie einer Bildaufzeichnungsvorrichtung für die Echosignale, die eine nichtlineare Leuchtdichte/Ansteuer-Kennlinie aufweist

Das Ultraschall-Bildverfahren bringt neben den Oberflächenkonturen der Organe und Gefäße auch die feinen Strukturen innerhalb der Organe oder Gefäße zur Darstellung. Die Qualität eines Ultraschallbildes ist nun nicht nur durch die physikalische Punktauflösung im Ultraschall-Strahl bestimmt; sie wird vielmehr auch durch die Art der Amplitudenwiedergabe auf dem Bildschirm der Oszillographenröhre oder dem Foto des abfotografierten Sichtbildes beeinflußt Echosignale, die sich in ihrer Amplitude unterscheiden, werden auf dem Bildschirm als BUdpunkte unterschiedlicher Leuchtdichte dargestellt Leuchtdichteunterschiede werden entsprechend vom Auge des Beobachters als Unterschiede im Grauwert wahrgenommen. Die Amplituden der aus dem Körperinnem empfangenen Echos umfassen einen Dynamikbereich von mehr als 10OdB (»maximaler Echokontrast«). Dabei unterscheiden sich die durch diffuse Streuung entstehenden Strukturechos durch ihre kleinere Amplitude von den im wesentlichen durch spiegelnde Reflexion erzeugten Konturechos, die durchweg größere Amplitude aufweisen. Dem Echodynamikbereich von ca. 100 dB steht nun ein Dynamikbereich der Leuchtdichte von nur maximal 3OdB gegenüber, den das adaptierte Auge des Beobachten in Grauwerte zwischen schwarz und weiß auflösen kann (»maximaler Bildkontrast). Nach dem Weber-Fechner-Gesetz bewertet das Auge die innerhalb dieses Bereiches wahrgenommene Leuchtdichte logarithmisch. Der kleinste vom Auge noch unterscheidbare

so Leuchtdichteunterschied ist der Schwellenkontrast <k; er beträgt 4-0,83 dB. Demnach löst das adaptierte Auge des Beobachten den 30dB-Bereich in ca. 35 Graustufen auf. Diese sinnesphysiologischen gegebenheiten sind für die Sonographie in zweierlei Hinsicht von Bedeutung. Zum einen kann das Auge aus dem großen Echodynamikbereich nur einen Ausschnitt erfassen. Dieser Ausschnitt kann mit Hilfe eines Verstärkungsreglers ausgewählt und die Größe des Ausschnittes dann durch Dynamikkompression beeinflußt werden. Zum zweiten ist die Strukturauflösung im Ultraschallbild nicht allein durch die als Halbwertsbreite des Echosignals eines Punktobjektes definierte physikalische Lateralauflösung bestimmt; sie ist vielmehr auch durch den Schwellenkontrast der Grauwertauflösung beeinflußt So sind beispielsweise zwei Punktobjekte mit dem lateralen Abstand A im Ultraschallbild voneinander unterscheidbar, solange 4-<6£ji-4> mit do—0,83 dB ist Dabei ist d\ das Echosignal, das entsteht

wenn eines der beiden Objekte auf der Strahlachse liegt, und di ist das entsprechende Signal bei einem Abstand A/l der beiden Objekte von der Strahlachse, π ist der Kompressionsfaktor für den Fall einer Dynamikkompression der Form: Leuchtdichte ~(Echoamplitude)^l/n. Anstelle der (-6 dB)-Breite des Echosignals eines Punktobjektes ist die laterale Auflösung demnach durch die (-6-71 · 0,83)dB-Breite gegeben. Diese Definition der Punktauflösung ist nur gültig und invariant beispielsweise gegenüber der Wahl der Echoverstärkung, solange der Zusammenhang zwischen Echoamplitude und Leuchtdichte linear ist oder der oben gegebenen Potenzfunktion folgt Die Definition verliert ihre Gültigkeit, wenn das Übertragungssystem einer davon abweichenden, z.B. logarithmischen, Funktion folgt

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Ultraschall-Bildgerät mit einer solchen Signalübertragungskette aufzubauen, mit der sich in einfacher Weise der Echodynamikbereich an den vom Auge erfaßbaren Leuchtdichtebereich anpassen läßt

Die Aufgabe wird unter Berücksichtigung der oben angeführten Überlegungen dadurch gelöst, daß zwischen Ultraschallempfänger und Bildaufzeichnungsvorrichtung ein Verzerrglied, insbesondere Linearisierungsglied, eingeschaltet ist das die nichtlineare Leuchtdichte/Ansteuer-Kennlinie der Aufzeichnungsvorrichtung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren optimalen Dynamikbereich der Echosignale nach vorgebbarem Muster verzerrt, insbesondere linearisiert.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei das Verzerrglied ein sog. y-Korrekturglied, das eine zur Kennlinie der Aufzeichnungsvorrichtung inverse Kennlinie aufweist Auf diese Weise läßt sich beispielsweise bei Verwendung einer Fernsehbildröhre die Dynamikdilatation der Röhre kompensieren in dem Sinne, daß einem durch den Empfangsverstärker bereits auf 30 dB eingeschränkten Echodynamikbereich ein maximaler Leuchtdichtebereich von ebenfalls 30 dB entspricht In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sollte ferner dem Verzerrglied ein Schwellenregler vorgeschaltet sein, der in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Schwellenspannung, die oberhalb zu eleminierender Störechos liegt solche Signalamplituden, die die Schwellspannung überschreiten, intensitätsgetreu, jedoch unter Unterdrückung der Störechos, zur Weiterverarbeitung führt Ein solcher Schwellenregler erlaubt also die Elimination von kleinen Störechos, wobei jedoch Nutzechos, die über der Schwelle des Schwellenreglers liegen, in ihrer Amplitude und damit auch in der Echograuwertdarstellung im Sichtbild völlig unberührt bleiben.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 die Signalübertragungskette eines Ultraschall-Bildgerätes im Prinzipschaltbild mit LJnearisierglied als Verzerrglied,

F i g. 2 eine Ausführungsform für einen Schwellenregler,

F i g. 3 eine Ausführungsform für ein LJnearisierglied,

Fig.4 einen Kontrastregler für den Bildkontrast an der Bildröhre.

In der F i g. 1 ist ein Ultraschallwandler zum Aussenden von Ultraschallimpulsen und zum Empfang der Echoimpulse mit 1 bezeichnet Der Wandler 1 kann dabei ein Rotationswandler sein, der in Verbindung mit einem Parabolreflektor Zeilenabtastung eines Untersuchungsobjektes ermöglicht Es kann sich aber auch um ein Ultraschall-Array handeln, wo also eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Ultraschallschwinger zur zeilenweisen Objektabtastung dient Ebensogut kann es auch ein Wandler für Compound-Scan- oder aber Α-Scan-Betrieb sein. Die vom Wandler 1 empfangenen Echosignale £1, die einen Echodynamikbereich von 0 bis etwa 100 dB aufweisen, werden mittels Echosignalverstärker 2 verstärkt und im Dynamikbereich gleichzeitig auf 0 bis 3OdB eingeschränkt Zur Einstellung eines erwünschten Verstärkungsgrades am Echosignalverstärker 2 dient der Verstärkungsregler 3 mit Einstellglied 4. Die am Ausgang des Echosignalverstärkers 2 anfallenden dynamikbegrenzten Echosignale £2

is werden mittels Gleichrichter 5 (Diodengleichrichter) demoduliert und das demodulierte Signal £3 auf einen Schwellenregler 6 mit Schwelleneinstellglied 7 gegeben, der Schwellenregler 6 unterdrückt kleine Störechos, die unterhalb der Schwelle 5 liegen. Nutzechos, die die Schwelle überschreiten, werden hingegen in der Amplitude unverzerrt hindurchgelassen. Am Ausgang des Schwellenreglers fällt demnach ein Echosignal £4 an, aus dem kleine Störechos völlig eliminiert sind. Das so bearbeitete Echosignal EA wird schließlich auf ein y-Korrekturglied 8 gegeben, das eine zur y-Kurve der Bildröhre inverse Kennlinie aufweist Durch die Kompensation wird der dynamikbereich des Echosignals EA auf maximal 15 dB eingegrenzt und es ergibt sich somit aufgrund des quadratischen Kennlinienverlaufs der Bildröhre ein maximaler Leuchtdichtebereich von 30 dB. Würde das auf 30 dB begrenzte Echosignal direkt zur Strahlstromsteuerung der Bildröhre benutzt so würde wegen der quadratischen Kennlinie (y-Kurve) der Röhre der korrespondierende Leuchtdichte-Dynamikbereich, d.h. der maximale Bildkontrast 6OdB betragen. Dieser Kontrast kann jedoch das menschliche Auge, wie eingangs bereits erläutert, nicht auflösen. Durch Zwischenschaltung des y-Korrekturgliedes 8 wird hingegen die Dynamikdilatation der Röhre völlig kompensiert so daß also dem ursprünglichen 30 dB-Bereich des Echosignals £2 am Ausgang des Empfangsverstärkers bzw. £3 am Ausgang des Demodulators 5 ein maximaler Leuchtdichte-Bereich von ebenfalls 30 dB an der Bildröhre entspricht

Das menschliche Auge kann den Leuchtdichtebereich von 3OdB jedoch nur dann auflösen, wenn sein Adaptionszustand nicht durch Umfeldbedingung gestört ist Ist die Umfeld-Leuchtdichte (Raumhelligkeit) höher als die maximale Leuchtdichte auf dem

so Bildschirm, so ist der Gesamtkontrast für das Auge zu hoch. In diesem Falle muß die Grundhelligkeit angehoben und der maximale Bildkontrast verringert werden. Speziell zur Kontrasteinstellung ist also ein Kontrastregler 9 mit Kontrasteinstellglied 10 vorgesehen. Das so kontrastgeregelte Echosignal wird dann über einen Video-Endverstärker U auf die Bildröhre 12 gegeben. Der Kontrastregler 9 ist so konzipiert, daß er eine lineare Dynamikanpassung des Echosignals an den vom Auge erfaßbaren maximalen Bildkontrast gewährleistet Auf diese Weise läßt sich das Bild an der Bildröhre 12 auf die fürs Auge optimale Grauwertwiedergabe einstellen. Die optimale Einstellung der Grundhelligkeit ist erreicht wenn die unterste Graustufe gerade noch erkennbar ist Durch die Kontrastregelung ist also gewährleistet daß unabhängig von der eingestellten Grundhelligkeit alle Graustufen aufgelöst werden können.
Von besonderer Bedeutung ist die beschriebene

Kontrastregelung für die Fotodokumentation mit Hilfe eines Fotovorsatzes 13 (Polaroidkamera). Dieser Fotovorsatz 13 ist im Auslosemechanismus Ober die Signalsteuerleitung 14 mit dem Emstellglied 10 für den Kontrastregler 9 verbunden. Wird der Auslosemechanismus des Fotovorsatzes 13 betätigt, so wird entsprechend Ober das Einstellgteid tO die GrandheHigkeit am Kontrastregler 9 zu höheren Werten geregelt Die Abstimmung ist dabei so, daß Grundhelügkeh und Bildkontrast auf den maximalen Kontrast des verwen- to deten Filmmaterials abgestimmt sind. Mit dieser Art vob Kontrastregelung wird eine eindeutig reproduzierbare Foto-BikkpiaKtät gewährleistet, unabhängig davon, wie der Bildbetrachter das von ihm betrachtete Bild am Bildschirm vorhergehend Individuen eingestellt hat

Beim Prinzipschaltbild der Fig. 1 werden die Echosignale £5 am Ausgang des y-Korrekturgäedes 8 nicht direkt auf den Kontrastregier 9 gegeben. Vielmehr wird dieses Signal £5 zuerst einer Mischstufe 15 zugeleitet in der dem Signal ES ein Signal £3' aufgemischt wird, das sich aus der Differentiation des Echosignales £3 (am Ausgang des Demodulators 5) mittels Differenzierstufe 16 ergibt Das differenzierte Signal £3' wird dem Signal £5 mit etwas erhöhter Leuchtdichte auf dem Bildschirm der bildröhre 12 Oberlagert was zu einem Anheben der Echosignalflanken im Bild führt Durch geeignetes Mischen des differenzierten und nicht differenzierten Signals in der Mischstufe 15 wird also eine schärfere Darstellung der Organkonturen ermöglicht ohne daß die Grauwertdar- so stellung der Strukturechos beeinträchtigt wird.

Ausführungsbeispiele für Schwellenregler 6, y-Korrekturglied 8 und Kontrastregler 9 sind in den F i g. 2 bis 4 dargestellt In der Fig.2 besteht dabei der Schwellenregler in einfachster Weise aus Komparator 17 mit Schalttransistor 18. Die Bauelemente 19 und 20 sind Beschaltungswiderstände. Mittels eines Potentiometers 21 läßt sich die Schwellspannung S des Schwellenreglers einstellen. Das Potentiometer 21 entspricht also dem Schwellenstellglied 7 der Fig. 1. Die Funktionsweise des Beispiels der F i g. 2 ergibt sich mit dem darüber dargestellten Echosignalverlauf wie folgt:

Das vom Demodulator 5 kommende Echosignal £3

wird im Komparator 17 ständig mit der Schwelle S verglichen. Solange das Signal £3 amplitudenmaßig unterhalb der Schwelle S Hegt ist der Transistor 18 leitend, so daß die Störechos kleiner amplitude vollständig kurzgeschlossen werden. Oberschreitet jedoch ein Nutzsignalanteil NE die Schwelle S, so wird der Transistor 18 gesperrt so daß sich der darunter dargestellte Verlauf £4(t) ergibt Man sieht sofort daß die Störechos unterdruckt sind, wobei jedoch die Amplitude der Nutzechos N£ unabhängig vom Schweflwert 5 die gleiche gebfieben ist Damit ist erreicht daft über der Schwelle 51iegende Echos m der Grauwertdarstellung an der Bildröhre unberührt bleiben.

In der Fig.3 besteht das y-Korrekturglied 8 Si einfachster Weise aus einer Parallelschaltung vco Halbleiterdioden 22. 23 und 24 in Verbindung nut ohmschen Widerständen 25 bis 28 sowie Vorspannungen UOi, UOl und UOi. Die Vorspannungen UOU UO 2, UO 3 sind gestuft, so daß bei linearem Anstieg des Echosignals £4 über den Bereich 0 bis 30 dB aufgrund der unterschiedlichen Spannngsschritte, bei denen die Dioden nacheinander leitend werden, sich ein Wurzelfunktionsverlauf über den Bereich 0 bis 15 dB ergibt Dieser Verlauf ist invers zum y-KennKnienverlauf der Bildröhre.

Der Kontrastregler 9 besteht hingegen gemäß F i g. 4 wiederum aus einem Operationsverstärker 29 mit den Beschaltungswiderständen 30 und 31. Ein Feldeffekttransistor 32, der als variabler Widerstand dient wird mit dem Steuersignal für die Grundhelligkeit Gl beaufschlagt Bei Normalkontrastregelung läßt sich dabei dieses Signal Gl mittels Einstellknopf am Einstellglied 10 direkt einstellen. Bei fotografischer Aufnahme erfolgt hingegen die Aufschaltung des Signales G/über die Signalsteuerleitung 14 bei Auslösen der Aufnahme am Fotogerät 13. Je nach Wahl des Einstellwertes Gl für die Grundhelligkeit ist der Transistor 32 mehr oder weniger leitend Hierdruch erfolgt nicht nur eine Änderung der Grundhelligkeit; vielmehr erfolgt automatisch über den Operationsverstärker 29 auch die lineare Dynamikanpassung des Signals £6 an den vom Auge erfaßbaren maximalen Bildkontrast

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Bildgerät für Ultraschall-Echoaufzeichnung nach dem Impuls-Echo-Prinzip, mit Ultraschall-Sender/Empfänger, der Echosignale mit bestimmtem Dynamikbereich liefert, sowie einer Bildaufzeichnungsvorrichtung für die Echosignale, die eine nichtlineare Leuchtdichte/Ansteuer-Kennfinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ultraschallempfänger (2) und Bildaufzeichnungsvorrichtung (12) ein Verzerrglied (8) , insbesondere Linearisierungsglied, eingeschaltet ist, das die nichtlineare Leuchtdichte/Ansteuer-Kennlinie der Aufzeichnungsvorrichtung (12) in Abhängigkeit von einem vorgebbaren optimalen Dynamikbereich der Echosignale nach vorgebbarem Muster verzerrt, insbesondere linearisiert

2. Ultraschall-Bildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzerrglied (8) ein sog. y-Korrekturglied mit zur Kennlinie der Aufzeichnungsvorrichtung (12) inverser Kennlinie ist

3. Ultraschall-Bildgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verzerrglied (8) ein Schwellenregler (6) vorgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Schwellspannung (S), die oberhalb der Amplitude von Störechos (STE) liegt, solche Signalamplituden (NE), die die Schwellspannung überschreiten, intensitätsgetreu, jedoch unter Unterdrückung der Störechos zum Verzerrglied (8) führt

4. Ultraschall-Bildgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenregler einen Komparator (17) mit zugeordnetem Schalttransistor (18) umfaßt, wobei der Transistor (18) bei Signalen (E 3) unterhalb der am Komparator eingestellten Schwelle einen Kurzschluß für das Eingangssignal (£3) bildet, der jedoch aufgehoben wird, sobald das einkommende Signal (E3) amplitudenmäßig die Schwelle /SJ überschreitet

5. Ultraschall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß ein y-Korrekturglied dem Schwellenregler (6) nachgeschaltet ist das nur aus einer Parallelschaltung von Schaltdioden (22 bis 24) besteht die mit unterschiedlichen Spannungen (UOi, U02, 1/03) in steigenden Stufen vorgespannt sind, so daß ein Linearverlauf des Echodynamikbereiches in einen Funktionsverlauf, vorzugsweise Wurzelfunktionsverlauf, unterschiedlicher Dynamik umgewandelt wird

6. Ultraschall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß in einer Mischstufe (15) das Ausgangssignal (£5) des Verzerrgliedes (8) mit einem Differentiationssignal (E'3) überlagert wird, das das mittels Differenzierstufe (16) differenzierte Ausgangssignal (E3) einer Demodulatoreinheit (5) für die Echosignale ist

7. Ultraschall-Bildgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das Ausgangssignal des Verzerrgliedes (8) direkt oder nach Durchführung durch einen Mischer (15) über einen Kontrastregler (9) auf eine Bildröhre (12) gegeben ist der eine Kontrasteinstellvorrichtung (10) aufweist die wahlweise von Hand oder automatisch in der Grundhelligkeit variierbar ist wobei bei automatischer Variation diese in Abhängigkeit vom Auslösemechanismus eines Fotoaufnahmegerätes (13) erfolgt in dem Sinne, daß Grundhelligkeit und Bildkontrast auf den maximalen Kontrast des verwendeten Filmmaterials abgestimmt sind

8. Ultraschall-Bildgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß sowohl bei Einstellung von Hand als auch bei Einstellung mit Automatik das Einstellglied (10) bei Anheben der Grundhelligkeit den maximalen Bildkontrast entsprechend verringert